将UDP客户端和服务端集成到MenuOS里并跟踪分析UDP协议中数据包的收发处理过程

本文详细介绍了一个UDP传输代码的例子,包括服务器端和客户端的代码实现。通过具体的代码展示,讲解了如何使用C语言进行UDP网络编程,包括socket创建、bind绑定、recvfrom接收数据和sendto发送数据的过程。

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编写客户端代码和服务器端代码

老师的git上有写好的探究TCP协议的Demo:庖丁解牛Linux网络核心
网上搜索一个关于UDP传输代码例子,
服务器端代码:

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <error.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <errno.h>
#include <arpa/inet.h>
#define SERVER_PORT 8888
#define BUFF_LEN 1024

void udp_server(int fd){
	char buf[BUFF_LEN];
	socklen_t len;
	int count;
	struct sockaddr_in clent_addr;
	while(1){
		memset(buf, 0, BUFF_LEN);
		len = sizeof(clent_addr);
		count = recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len);
		if(count == -1){
			printf("recieve data fail!\n");
			return;
		}
		printf("msg from client: %s\n",buf);
		memset(buf, 0, BUFF_LEN);
		sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count);
		printf("msg sent by server: %s\n",buf);
		sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len);
	}
}

int udp_server_handler(){
	int server_fd, ret;
	struct sockaddr_in ser_addr; 

	server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if(server_fd < 0){
		printf("create socket fail!\n");
		return -1;
	}

	memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
	ser_addr.sin_family = AF_INET;
	ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
	ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr));
	if(ret < 0)
	{
		printf("socket bind fail!\n");
		return -1;
	}

	udp_server(server_fd);
	close(server_fd);
	return 0;
}

int start_udp_server(){
	int pid;
	pid = fork();
	if( pid < 0 ){
		exit(1);
	}else if( pid == 0 ){
		udp_server_handler();
	}else{
		printf("Please input udpclient\n");
	}
}

客户端代码:

void udp_client(int fd, struct sockaddr* dst){
	socklen_t len;
	struct sockaddr_in src;
	char buf[BUFF_LEN] = "hello UDP";
	len = sizeof(*dst);
	printf("msg sent by client: %s\n",buf);
	sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len);
	memset(buf, 0, BUFF_LEN);
	recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len);
	printf("msg from server: %s\n", buf);
}

int start_udp_client (int argc, char *argv[]){
	int client_fd;
	struct sockaddr_in ser_addr;

	client_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
	if(client_fd < 0)
	{
		printf("create socket fail!\n");
		return -1;
	}

	memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
	ser_addr.sin_family = AF_INET;
	ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
	udp_client(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);

	close(client_fd);

	return 0;
}

将代码继承到MenuOS中运行

将上述两段代码粘贴到老师git中lab3的main.c文件中,这里我fork了这个项目,并进行了修改。将上述两端代码贴到了main.c文件的第177行。
之后在main.c最后的main()函数中将新加的UDP的几个方法注册并调用。修改之后的main()方法代码如下:

int main(){
	BringUpNetInterface();
	PrintMenuOS();
	SetPrompt("MenuOS>>");
	MenuConfig("version","MenuOS V1.0(Based on Linux 3.18.6)",NULL);
	MenuConfig("quit","Quit from MenuOS",Quit);
	MenuConfig("replyhi", "Reply hi TCP Service", StartReplyhi);
	MenuConfig("hello", "Hello TCP Client", Hello);
	MenuConfig("udpserver", "udp server", start_udp_server);
	MenuConfig("udpclient", "udp client", start_udp_client);
	ExecuteMenu();
}

接下来我们需要将C/S方式的网络通信程序的服务端集成到MenuOS系统中,成为MenuOS系统的命令replyhi,实际上老师已经给大家集成好了,我们git clone 克隆一个linuxnet.git;进入lab3目录执行make可以将我们集成好的代码copy到menu项目中。运行make rootfs,脚本就可以帮助我们自动编译、自动生成根文件系统,还会帮我们运行起来MenuOS系统。详细命令如下:

cd LinuxKernel  
git clone https://github.com/wanghongbo122333/linuxnet.git
cd linuxnet/lab3
make rootfs

在这里插入图片描述
右击水平分割或者另外打开一个Xfce终端(Terminal),执行gdb

 (gdb)file ../../linux-3.18.6/vmlinux # 在gdb界面中targe remote之前加载符号表
 (gdb)target remote:1234 # 建立gdb和gdbserver之间的连接
 (gdb)break start_kernel # 断点的设置可以在target remote之前,也可以在之后
   (gdb)c                  # 按c 让qemu上的Linux继续运行

可以看到qemu中程序又开始执行了,并且执行到start_kernel()方法就暂停,并且显示当前断点的位置在那个文件的哪一行代码,这时候我们可以根据提示找到相应的文件阅读代码。我们按c之后程序就继续执行,通过这种方法可以追踪UDP协议中数据包的收发处理过程。

<think>好的,我现在需要回答用户关于如何在UDP协议中实现多个客户端与服务的持续数据收发的问题。首先,我得回忆一下UDP的基本特性。UDP是无连接的,不保证数据包的顺序和可靠性,这点和TCP不同。所以用户的问题其实是在问如何在一个无连接的协议下处理多个客户端的持续通信。 接下来,我应该考虑服务如何区分不同的客户端。因为UDP没有连接的概念,每个数据包都是独立的,所以服务需要通过客户端的地址和口来识别它们。这意味着服务需要维护一个客户端列表,记录每个客户端的IP和口号。这样,当服务收到数据时,可以根据来源地址确定是哪个客户端发来的,然后进行相应的处理。 然后,用户可能想知道如何处理数据包的丢失和乱序问题。因为UDP不提供这些保证,所以如果应用需要可靠性,可能需要在上层实现确认机制、序列号和重传策略。例如,可以为每个数据包添加一个序列号,客户端收到后发送确认,如果服务没有收到确认,就重新发送。不过,用户的问题主要是关于持续的数据收发,所以可能只需要基本的处理,不一定需要完整的可靠传输,但需要提到这一点作为注意事项。 另外,多线程或异步IO的问题。服务需要同时处理多个客户端的请求,可以使用多线程,每个线程处理一个客户端的数据,或者使用异步IO机制,如select、poll、epoll(在Linux下)或kqueue(在BSD系统)来监听多个套接字的事件。这样可以提高发处理能力,避免阻塞。 然后,具体到代码结构,可能需要描述服务的大致步骤:创建UDP套接字,绑定到口,进入循环接收数据,根据客户端地址管理连接,处理数据回复。客户端则需要创建套接字,发送数据到服务地址,等待回复。 还要注意,UDP数据包大小限制,避免超过MTU导致分片,可能需要在应用层处理消息的分片和重,或者确保发送的数据包大小合适。 另外,关于客户端口重用问题,如果客户端需要持续发送,可能需要绑定到一个固定口,或者让系统自动分配,但服务需要记录每次的客户端地址,因为UDP客户端口可能变化,特别是在NAT环境下可能会有问题,但这个问题可能比较复杂,属于NAT穿透的范畴,可能不需要深入讨论,除非用户特别问及。 可能还需要考虑超时机制,服务如果一段时间没收到客户端的数据,可以将其从列表中移除,避免资源浪费。 总结下来,实现步骤大致是: 1. 服务创建UDP套接字绑定。 2. 维护客户端地址列表。 3. 使用异步IO或多线程处理发。 4. 根据收到的数据包来源地址区分客户端。 5. 实现必要的可靠性机制(可选)。 6. 客户端发送数据到服务处理回复。 需要确保回答结构清晰,分点说明,可能分为服务设计、客户端设计、可靠性处理、注意事项等部分。同时,要提醒用户UDP的局限性,以及是否需要应用层协议来补充可靠性。 现在需要检查是否有遗漏点,比如是否需要多播或广播,但用户的问题是关于多个客户端与服务的持续通信,应该是指单播的情况。另外,关于数据粘问题,UDP本身是消息边界保护的,每个sendto对应一个recvfrom,所以不需要处理粘,但需要处理应用层消息的格式,比如添加消息头等。 最后,确保使用中文,结构清晰,步骤明确,可能给出伪代码或示例结构,但用户没有要求具体代码,所以用文字描述即可。</think>在UDP协议中实现多客户端与服务的持续数据收发,需结合其无连接特性设计额外机制。以下是分步实现方案: --- ### 一、服务设计核心步骤 1. **创建UDP套接字绑定口** ```python # 伪代码示例 sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) sock.bind(("0.0.0.0", 8888)) ``` 2. **维护客户端会话表** - 使用字典记录客户端地址与状态(如最后活跃时间): ```python clients = {} # 格式 { (ip, port): last_active_time } ``` 3. **异步接收数据(I/O多路复用)** - 使用`select`或`epoll`监听套接字事件,非阻塞处理多客户端: ```python while True: ready, _, _ = select.select([sock], [], [], 1.0) if ready: data, addr = sock.recvfrom(1024) clients[addr] = time.time() # 更新活跃时间 # 处理数据响应 response = process_data(data) sock.sendto(response, addr) ``` --- ### 二、客户端设计要点 1. **固定源口(可选)** - 客户端绑定到固定口以简化服务识别: ```python client_sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) client_sock.bind(("0.0.0.0", 54321)) # 显式绑定口 ``` 2. **发送数据与接收响应** - 每次发送需指定服务地址,异步等待回复: ```python client_sock.sendto(b"Hello", ("server_ip", 8888)) data, _ = client_sock.recvfrom(1024) ``` --- ### 三、关键问题解决方案 #### 1. 客户端识别 - **自然方案**:通过数据包的`(源IP, 源口)`唯一标识客户端。 - **NAT穿透问题**:若客户端位于NAT后,需通过定时心跳保持口映射。 #### 2. 可靠性增强(可选) - **确认重传机制**: - 为数据包添加**序列号**,接收方返回ACK。 - 超时未收到ACK则重发(需维护发送缓冲区): ```python # 服务伪代码 if 收到数据包: 发送ACK含序列号 # 客户端伪代码 while 未收到ACK且未超时: 重发数据包 ``` #### 3. 数据包乱序处理 - 在应用层为数据包添加**序列号**,接收方按序重。 --- ### 四、持续通信优化策略 1. **心跳机制** - 客户端定期发送心跳(如空数据包),服务清理超时客户端: ```python # 服务定时检查 current_time = time.time() expired = [addr for addr, t in clients.items() if current_time - t > 60] for addr in expired: del clients[addr] ``` 2. **流量控制** - 通过滑动窗口限制发送速率,避免UDP淹没接收方。 --- ### 五、注意事项 1. **MTU限制**:单次发送数据不宜超过1472字节(1500 MTU - 20 IP头 - 8 UDP头)。 2. **防火墙/NAT**:需配置允许UDP口双向通信。 3. **安全性**:建议增加数据校验(如CRC)或加密(DTLS)。 --- ### 六、典型应用场景 - 实时音视频传输(如WebRTC) - 物联网设备状态上报 - 多人在线游戏位置同步 通过上述设计,可在UDP协议上实现类似"准连接"的持续通信,兼顾低延迟与灵活性。实际开发中需根据业务需求权衡可靠性与性能。
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